Китайские цинк-воздушные батареи на морской воде показали стабильную работу более 200 часов

Китайские ученые представили новый тип цинк-воздушных батарей, способных стабильно работать в морской воде до 200 часов. Разработка открывает новые перспективы для автономных систем хранения энергии, морской электроники и оффгрид-решений, где использование пресной воды затруднено или экономически нецелесообразно.

Проблема традиционных цинк-воздушных батарей

Цинк-воздушные батареи давно считаются перспективными накопителями энергии благодаря высокой удельной емкости и доступности материалов. Однако при использовании морской воды в качестве электролита стандартные катоды на основе платиновых катализаторов (Pt/C) быстро деградируют. Основная причина — ионы хлора, которые «отравляют» активные центры катализатора и снижают эффективность реакции восстановления кислорода.

Это ограничивало применение морских цинк-воздушных батарей в реальных условиях, несмотря на их теоретические преимущества.

Новый катализатор Cl–Fe–N₄: устойчивость и высокая эффективность

Исследователи из Центрального южного университета и Университета Сиань Цзяотун–Ливерпуль предложили новый подход к созданию катализаторов. Они разработали универсальную технологию окислительной полимеризации, позволяющую формировать одиночные атомы железа Fe–N₄ с осевой координацией гетероатомов хлора или серы.

В результате был создан катализатор Cl–Fe–N₄ с пирамидальной структурой, который эффективно отталкивает хлорид-ионы и одновременно ускоряет электрохимические реакции. По сравнению с коммерческими Pt/C-катодами скорость реакции восстановления кислорода увеличилась почти вдвое.

Результаты испытаний и ключевые показатели

Цинк-воздушная батарея на морской воде с катализатором Cl–Fe–N₄ продемонстрировала:

• плотность мощности 187,7 мВт/см² при токе 245,1 мА/см²;

• стабильную циклическую работу на протяжении 200 часов;

• предельную плотность тока 5,8 мА/см²;

• полуволновой потенциал 0,931 В относительно RHE, что превосходит показатели коммерческих платиновых катализаторов.

Дополнительные электрохимические и спектроскопические исследования подтвердили высокую устойчивость катализатора к хлоридному воздействию.

Почему морские цинк-воздушные батареи перспективны

Использование морской воды в качестве электролита позволяет отказаться от дефицитных пресноводных ресурсов и делает технологию более масштабируемой. Такие батареи особенно актуальны для:

• морских датчиков и буйковых систем;

• автономных подводных аппаратов;

• оффгрид-энергоснабжения прибрежных объектов;

• энергетически эффективного опреснения воды.

Исследователи также отмечают, что высокая плотность тока при низком перенапряжении позволяет использовать такие батареи для питания мембранных насосов, снижая энергопотребление опреснительных систем примерно на 30 % по сравнению с классическим обратным осмосом.

Производственный потенциал технологии

Катализатор изготавливается с применением чернил на водно-этанольной основе, а максимальная температура обработки не превышает 1000 °C. Это делает технологию совместимой с рулонным производством и существующими линиями углеродных материалов, что важно для промышленного внедрения.

Перспективы развития

Разработка китайских ученых демонстрирует, что даже агрессивная морская среда может быть использована для эффективного накопления энергии. Превращение хлорид-ионов из проблемы в элемент управления характеристиками батареи открывает путь к созданию устойчивых энергетических систем нового поколения для морской и автономной энергетики.